Технологические алгоритмы в САПР ТП

А.А. Михайличенко,

дир., altim_karus@mail.ru,

НТФ "АЛТИМ", г. Краснодар

Введение

Повышение эффективности машиностроительного производства возможно при помощи САПР ТП, предназначенной для проектирования технологических процессов всех видов, применяемых на производстве и формирования комплекта технологических документов в соответствии с требованиями производства и ЕСТД. Программное обеспечение САПР ТП должно быть инвариантным к виду производства, изделиям и проектируемым технологическим процессам их изготовления. Адаптация на конкретные условия работы должна осуществляться настройкой базы данных системы.

Основная информация о технологическом процессе содержится в маршрутных и операционных картах. Основной документ для маршрутного и маршрутно-операционного описания технологических процессов изготовления или ремонта изделий и их составных частей выполняется согласно ГОСТ3.1118-82 "Формы и правила оформления маршрутных карт". Формы являются унифицированными и применяются Для операционного описания технологических процессов различного вида применяются формы по ГОСТ 3.1404-86" Формы и правила оформления документов на технологические процессы и операции обработки резанием", ГОСТ 3.1407-86 " Формы и требования к заполнению и оформлению документов на технологические процессы (операции), специализированные по методам сборки" для слесарно-сборочных работ, ГОСТ 3.1502 " Формы и правила оформления документов на технический контроль" для контрольных операций.

Комплексный подход к проектированию заключается в том, что различные отдельные задачи технологического проектирования объединяются в одной системе с определенной и регламентированной (в соответствии с методиками по проектированию) организацией работы САПР ТП.

Технологическая подготовка производства зависит от стабильности производства по выпуску продукции При выпуске однотипной продукции на протяжении длительного времени САПР ТП работает в установившемся режиме. В случае внедрения в производство новых изделий или модернизации производства с заменой оборудования САПР ТП необходимо адаптировать к изменившимся производственной среде. Формализация задач технологического проектирования затрудняется из-за большого разнообразия используемых технических, технологических и организационных решений, соответственно труднее автоматизируются процессы технологической подготовки производства.

Многие методы проектирования имеют узкую специализацию по виду и форме деталей, типу (серийности) производства, виду обработки (чаще всего механическая), используемые математические модели описания деталей и процессов проектирования, что накладывает большие ограничения на область применения таких методик. Локальные правила касаются некоторой области технологических знаний, например, на группу деталей или процессов. Глобальные знания в виде аксиом на производстве трудно применять - не все они выражены в явной форме. Универсальная методика может быть простроена на логических моделях процесса проектирования ТП.

Наиболее трудно формализуемы этапы формирования операционного маршрута и выбора последовательности переходов к операциям. Диалоговый метод проектирования можно считать основным и естественным методом решения комплекса технологических задач. Трудно представить процесс пакетного (автоматического) проектирования технологии, включающей десятки и тем более сотни операций или переходов ,без участия технолога.

Исходные данные для проектирования ТП - это описание детали (изделия) и производственной среды (оборудование, средства технологического оснащения (СТО), сортамент материалов, данные о режимах обработки, технологические алгоритмы. Данная информация является нестабильной, т.е. ее можно охарактеризовать как условно постоянную. Происходят постоянные изменения в составе оборудования, СТО, в применяемых материалах и т.д. Меняются также методики проектирования, отраженные в ТА. Данная информация должна храниться в базе данных и быть доступна пользователям для актуализации. Если технологические алгоритмы хранятся в БД, возможна оперативная коррекция их силами пользователей без изменения исходного ПО системы и соответственно привлечения разработчиков. По нашему мнению информационная БД - это хранилище информации в электронном виде, необходимой для проектирования технологических процессов. В состав БД должны входить справочники оборудования, средств технологического оснащения (СТО) и другая информация, так и алгоритмы их выбора, в которых реализованы технологические знания. Таким образом, программное обеспечение САПР ТП должно быть инвариантно.

Для решения задачи в САПР ТП должны быть развитые возможности для своевременного внесения изменений в базу данных. Рассмотрим САПР ТП "КАРУС".

САПР ТП "КАРУС"

К классам объектов, для проектирования которых предназначена система, относятся единичные и типовые технологические процессы изготовления деталей произвольной формы - тела вращения, детали плоскостные, корпусные, изогнутые из проката, шестерни цилиндрические, конические и другие группы деталей, путем механической обработки, холодной штамповки, термической обработки, а также ТП сборочных работ, включая разъемные и неразъемные соединения. Настройка системы при внедрении выполняется путем изменения типовой базы данных. Любые особенности производства можно в полной мере отразить в базе данных и технологических процессах, не изменяя программного обеспечения, т.е. выходные результаты проектирования, определяются входной информацией и содержанием базы данных. Этим достигается гибкость системы и независимость от разработчиков при внедрении и эксплуатации. Пользователи могут самостоятельно создавать специализированные САПР, например САПР перемещений и др. на основе базового программного обеспечения и типовых баз данных. Уровень автоматизации проектирования зависит в значительной степени от наполнения базы данных.

САПР ТП "КАРУС" предназначен для проектирования единичных и типовых ТП. Проектирование может проводиться путем использования базы данных, редактирования ранее разработанного рабочего ТП или специально спроектированного процесса-аналога (типового процесса) на группу деталей, обладающих общими конструктивно-технологическими признаками. Основной метод проектирования - диалоговый, когда функции рационально распределены между технологом и системой. Входная информация поступает в систему в процессе взаимодействия пользователя и системы. Технолог вводит информацию, выбирая из предложенного "меню", подтверждая или изменяя ее. С клавиатуры вводится ограниченное число данных и информация, отсутствующая в базе данных. Наиболее трудоемкая часть работы, например, выбор средств технологического оснащения, производится при помощи технологических алгоритмов, хранящихся в БД.

Система не требует предварительного описания детали до начала проектирования. Информационная модель ТП включает в себя модель общих данных, модель детали и модели операций. Описание детали состоит из информации, хранящейся в модели общих данных и модели детали, которая включает описание характеристик поверхностей. Модель общих данных также включает в себя информационную модель заготовки и специальные резервные поля для хранения дополнительной информации.

В состав модели операции входит следующая информация: номера цеха, участка, рабочего места, где выполняется операция, номер операции, код и наименование операции, обозначение программы (для операций, выполняемых на оборудовании с ЧПУ), обозначение документов, применяемых при выполнении операции, регистрационный номер операционной карты, код и наименование оборудования с характеристиками, обозначение применяемой смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ), твердость материала заготовки, информация по трудозатратам.

К каждой операции могут быть подключены переходы. Переход включает в себя следующую информацию: код перехода, текст перехода, коды понятий и их значения, входящие в переход, информация о режимах обработки и нормах времени на переход.

К каждому переходу может быть выбран набор (комплект) средств технологического оснащения (СТО) из нескольких единиц каждого вида: стапели, приспособления, вспомогательный, режущий, измерительный, специальный, слесарно-сборочный инструменты.

Информационная модель детали и технологического процесса формируется в процессе проектирования технологии на следующих этапах:

1. Ввод общих данных о детали, заготовке и технологическом процессе. В основном ввод общих данных соответствует заполнению граф в заголовке ("шапке") маршрутной и операционной форм.

2. Формирование маршрута обработки (выбор операций и оборудования к ним).

3. Формирование содержания операции (выбор и конкретизация переходов) включает два этапа:

а) Выбор последовательности переходов.

б) Конкретизация переходов - ввод или расчет переменной информации.

4. Выбор средств технологического оснащения (СТО) на все переходы.

5. Расчёт режимов обработки.

6. Техническое нормирование.

Методы проектирования технологического маршрута зависит от типа производства (например, единичный, серийный), вида технологического процесса (механическая обработка, термообработка, сборка-сварка), сложности детали и соответственно технологии ее изготовления.

Можно выделить следующие методы проектирования технологического маршрута:

1. Проектирование на основе опыта и данных из информационной базы, включая имеющиеся технологические алгоритмы выбора оборудования, СТО и т.д.

2. Проектировании на основе разработанного ранее ТП. Возможны 2 варианта:

· по детали - аналогу (основывается на ТП на аналогичную деталь) Наиболее прост в использовании - не требует предварительной подготовки, необходима только информационно-поисковая система для поиска процессов-аналогов.

· на основе ранее спроектированного типового алгоритмизированного процесса.

3-й метод автоматизированного проектирования - на основе технологических алгоритмов (ТА).

Система располагает широкими возможностями для выбора и поиска ранее спроектированных ТП при помощи встроенной информационно-поисковой системы.

Этапы отличаются большим разнообразием методик проектирования, для реализации их средствами САПР ТП требуется использовать различные типы технологических алгоритмов. Можно выделить алгоритмы виде последовательности строк, каждая из которых содержит одну операцию (линейные алгоритмы). Они применяются для универсальных алгоритмов выбора оборудования, выбора средств технологического оснащения, расчета режимов обработки, решения расчетных задач. Такие алгоритмы можно назвать программами пользователей. Следующий тип алгоритмов предназначен для описания методик, которые удобно представить в виде алгоритмизированных таблиц. Он удобен, например, для выбора припусков или табличных норм времени. Третий тип алгоритмов может быть представлен в виде ориентированных графов с "условиями выбора" - строками с действиями или ссылками на другие операции, формулы, таблицы (ветвящиеся алгоритмы). Такие алгоритмы, например, удобно использовать для описания методик выбора режимов обработки. Операции алгоритмов связаны между собой различными связками ("И", "ИЛИ", "ЕСЛИ-ТО" и др.). Операции, применяемые в алгоритмах, подразделяются на универсальные, используемые во всех подсистемах, и специальные, используемые только в конкретной подсистеме (подсистемах).

Мало иметь алгоритмы, их еще надо и выполнять. Все алгоритмы обрабатываются проектирующими подсистемами в процессе работы и предназначены для формирования различных "меню", для автоматизированного выбора операций, оборудования, переходов, инструмента и т.д. Для решения этой задачи был разработан "Внутренний интерпретатор программ", предназначенный для выполнения извлекаемого из различных разделов базы данных программ, написанных пользователем. Модули "Внутренний интерпретатор программ" включены в проектирующие подсистемы. Также был разработан "Базовый монитор ошибок", который служит основой для построения специальных мониторов ошибок программ системы КАРУС. Он обрабатывает стандартные ошибки, возникающие как в модулях базового уровня, так и в использующих его приложениях. При обнаружении нестандартных ошибок базовый монитор может передать их в указанную приложением программу обработки ошибок. Рассмотрим структуру базы данных САПР ТП «КАРУС».

Структура базы данных САПР ТП "КАРУС"

База данных представляет собой упорядоченную совокупность информации, предназначена для настройки системы на конкретные условия эксплуатации, для накопления и хранения знаний о производственной среде. БД состоит из разделов, которые содержат данные об операциях, оборудовании, переходах, средствах технологического оснащения, нормах времени, технологических алгоритмах и других элементах, используемых при проектировании технологических процессов, а также о связях между ними.

БД содержит в системе описание всех элементов производственной среды предприятия, в которой будут выполняться создаваемые в системе технологические процессы.

Изменение базы данных производится при изменении состояния производственной среды (состава оборудования, инструмента и т.п.) и условий эксплуатации системы, а также при пополнении хранимой информации.

База данных содержит также некоторую специальную информацию, необходимую для работы системы и недоступную для изменения со стороны пользователей системы (например, таблицы отклонений размеров).

Структура всех разделов базы данных - специальная, что связано со спецификой хранящейся информации и требованиями к надежности и быстродействию системы. Использование специальной БД позволяет более компактно хранить информацию базы данных, чем это позволяют широко распространенные универсальные СУБД. Структура БД определятся задачами технологического проектирования в области машиностроения.

База данных (БД) включает служебную, нормативно-справочную и алгоритмизированную информацию. База данных полностью открыта для пользователя и не имеет каких-либо ограничений для описания любых типов производства и изготавливаемых изделий.

База данных состоит из набора взаимосвязанных между собой разделов, каждый из которых имеет файловую структуру и состоит из нескольких (от одного до трех) файлов. Формат каждого раздела БД различны. Структуры записей разработаны специально для САПР ТП "КАРУС" с учетом типа хранящейся информации в разделе. В БД используются индексные файлы, которые в зависимости от назначения могут содержать записи фиксированной длины или переменной длины. Все файлы разделов БД связаны между собой при помощи общесистемного файла связей (ОФС), который служит для организации групп или списков записей из других файлов базы данных. Этот файл недоступен для непосредственного редактирования. Он изменяется автоматически при редактировании разделов базы данных. ОФС имеет несколько подразделов, посвященных различным разделам базы данных. Формат записей в разных подразделах файла ОФС различается.

Выбор типа и структуры разделов БД определился требованиями к быстродействию, удобству работы, компактному представлению больших объемов информации справочного, фактического, логического и ссылочного характера, включая базы технологических знаний и технологические алгоритмы.

По содержанию разделы БД можно условно разделить на три группы:

Служебная информация содержится в разделах БД "Понятия", "Анкета предприятия", (хранятся общие данные отклонения размеров и другая редко изменяемая информация.

Нормативно-справочная информация содержится в разделах: списки (справочники) операций, оборудования, материалов, слайды, ряды подач и частот вращений и другая дополнительная информация.

Алгоритмизированная информация содержится в разделах: операции (алгоритмы формирования "меню" оборудования, переходов на операцию), переходов и МАКРО-переходов, условия выбора оборудования, средств технологического оснащения (инструмента), таблицы (припусков, норм времени), формулы, ветвящиеся алгоритмы в виде ориентированных графов.

Алгоритмизированная информация основана на системе формальных правил, основанных на языке технолога и не требующих большого времени для своего усвоения.

Так как "Понятия" являются основой построения баз данных, подробнее опишем их. Под "Понятиями" понимаются средства формализованного представления множества размерных и текстовых характеристик предметов производства, средств производства, а также логических переменных, используемых в системе. Это объекты, которыми оперирует технолог в процессе проектирования при помощи САПР ТП. Они могут включать в себя экземпляры, другие классы, либо же сочетания и того, и другого.

Понятия включают в себя экземпляры, которые могут представлять собой как физические объекты (применяемый инструмент, оборудование), так и абстрактные(числа, слова). Понятия могут связывать сложные отношения Раздел типовой БД содержит базовый набор понятий используемый для описания терминов предметных областей проектирования. Понятие в сочетании с кодом, атрибутами и своим смысловым определением является основой формализованного языка описания информации и технологических алгоритмов БД САПР ТП "КАРУС" и средством связи БД с программным обеспечением других подсистем.

В БД хранятся не только справочники с информацией, но и технологические алгоритмы. Структура настоящей БД обеспечивает развитие системы до уровня автоматизированного проектирования технологических процессов на основе описания деталей и технологических алгоритмов. БД обеспечивает всю полноту данных, необходимую для автоматизированного проектирования технологических процессов всех видов, использующихся в производстве.

Понятия и технологические алгоритмы позволяют формализовать знания технолога в определенной предметной области и использовать для автоматизации проектирования.

Выходные документы

Создание комплекта технологической документации производится при помощи подсистемы "Формирование и печать выходных форм", которая предназначена для преобразования информации из спроектированного технологического процесса в конкретные выходные формы документов.

Комплект выходных форм включает титульный лист, маршрутные карты в виде маршрутного и маршрутно-операционного описания, операционные карты, ведомость оснастки, комплектовочные карты, ведомость технологических документов, лист регистрации изменений. При необходимости возможно создание специальных выходных форм по заказу предприятий.

Подсистема выполняет следующие функции:

· формирует выходные формы в соответствии с ЕСТД при помощи информации, находящейся в файлах спроектированного технологического процесса и базы данных.

· выводит сформированную выходную форму на печать (принтер) или в файлы различных форматов: RTF (редактор Word или другой редактор, работающий с этим форматом), XLS (Excel), PDF, рисунок JPEG и запись в файл c заданием его имени.

Состав технологических документов может быть изменен как разработчиком при передаче САПР ТП по заказу пользователей.

В материале приведены особенности САПР ТП "КАРУС", связанные с автоматизацией процесса проектирования на основе технологических алгоритмов. Все решения, реализованные в САПР ТП "КАРУС", прошли многолетнюю апробацию на ведущих предприятиях России и других государств, использующих ЕСТД.